現代化采礦工藝技術在采礦工程中的應用

尹鑫YIN Xin；王健WANG Jian

（①鄂爾多斯市轉龍灣煤炭有限公司，鄂爾多斯 017205；②肥城白莊煤礦有限公司，泰安 271600）

0 引言

礦產資源的開發對于國家與社會的發展而言起著重要的支撐作用。伴隨采礦工藝的持續發展，越來越多的新型采礦技術研發問世，而且陸續投用到采礦工程之中。近年來，綠色環保、可持續發展理念日益深入人心，人們開始注重采礦工程的環保效益，要求采礦活動應當在保障安全的基礎上，盡可能降低對自然環境的影響。因此，需要積極研究現代化采礦技術，把它合理應用在采礦工程之中。

1 現代化采礦工藝技術的相關概述

傳統的礦產開采技術在我國經濟發展過程中起到了重要的作用，但是也面臨著一些問題。因為技術水平較低以及人員專業素養的局限，傳統技術無法高效地開采礦產資源，往往只能開采礦床的一部分，導致了資源的浪費，增加了開采成本，影響了經濟效益。為了實現資源的可持續利用，現代化采礦工藝技術勢在必行。同時，傳統的開采技術往往會對周邊的土壤、水源和空氣質量產生負面影響，導致自然環境的破壞和生物多樣性的減少。為了避免這種情況的發生，現代化采礦工藝技術應該注重環境保護，采取有效的措施減少對生態環境的影響，如合理規劃開采區域、進行水土保持措施和尾礦處理等。不同的礦產類型和開采條件都需要特定的技術方案。因此，現代化采礦工藝技術應該注重多元化發展，結合物理、化學、生物等多個領域的知識，針對不同的礦產資源開發出適用的技術方法。同時，還應加強科技創新，推動采礦技術的不斷優化與革新，提高礦產資源的開采效率和經濟效益[1]。

2 采礦工藝技術的基本特性

2.1 以開采條件更新工藝技術

由于不同的開采條件間的差異性，采礦工藝也需要相應地進行調整和更新。例如，采油填水技術是一種在原油開采中被廣泛應用的技術，其主要目的是減小對地下水和地層結構帶來的影響。通過合理使用這種技術，可以保障資源開采質量，并且減少對地層的破壞，提高地層穩定程度。

2.2 以資源分布及區域特征選擇工藝技術

中國的礦產資源具有西多東少的特征，這種分布狀況在短期內是難以改變的。因此，在進行礦產資源的開發過程中，必須充分考慮不同區域的地質結構和特征，對于采礦技術的選取也應該有所差異。只有根據具體的地質狀況，采用適合的工藝技術，方可確保開采過程的順利進行，并且不對區域的工業生產和農田建設造成不必要的影響，最大限度地發揮資源潛力，推動區域經濟的進一步發展。

2.3 以人員調整實現工藝技術的良好應用

在采礦工程中，人員的流動性較大是一個普遍存在的情況。因此，需要科學而周密地把控開采人員的分配和調整。針對不同的礦產分布情況和開采設備的特殊要求，必須對工作人員的素質能力進行精確的科學劃分，保證工作人員能夠充分發揮其所長，從而更好地促進工藝技術的良好應用。除了科學的人員分配外，定期組織專業技能培訓也是十分重要。通過持續的培訓活動，開采人員能夠更加及時、全面的掌握先進技術工藝，提升其專業水平和工作技能。這不僅有助于滿足不斷變化的工程需求，還能夠提高工作效率，減少事故風險，并且為工藝技術的良好應用提供有力支持[2]。

3 現代化采礦工藝技術在采礦工程中的具體應用

3.1 崩落采礦

此技術主要可分為下述兩種類型：①無底柱分段崩落法，通過高度機械化的操作和嚴格的設備要求，大幅減少了人工依賴性和開采成本。這種方法不需要底柱支撐，而是依靠圍巖的自然穩定性進行采礦。通過將礦石從頂部向下崩落，可以減少人工開采的工作量，提高采礦效率。②底柱分段崩落法，要求采礦人員高度關注一些參數的調節，例如漏斗間距和底柱高度。漏斗間距的合理設置可以控制崩落速度和礦石的均勻分布，確保采礦過程的平穩進行。通常情況下，底柱的高度在大約7m 或13m，但這只是一個參考值，需要結合實際狀況進行合理調整。同時，采礦人員還需要處理漏斗底部的圍巖結構，確保其穩定性，以防止對整個礦區結構產生負面影響。

3.2 露天采礦工藝技術

露天采礦工藝技術是一種在采礦工程中廣泛應用的方法，其涉及到在開放的地表區域進行礦產資源的提取和獲取。然而，由于大部分大型采礦工程處于惡劣的地質條件下，這給露天采礦帶來了巨大的挑戰和安全隱患。在露天開采中，需要采取適當的措施來防止土壤滑坡、巖石崩塌等自然災害的發生，并確保采礦過程對周圍環境的影響達到最小化。例如，可以利用地質工程技術來加固邊坡和巖石體，采用合適的排水系統來處理雨水和地下水，并建立良好的環境監測機制。同時，配備先進的儀器與設備，如激光掃描儀、遙感技術和自動化設備，可以提高生產過程的自動化程度和操作的精確性，減少人為因素對采礦作業的影響。在編制采礦計劃時，需要綜合考慮資源分布、地質條件和經濟效益等因素平衡露天與地下開采間的關系，靈活調整開采順序、改變采礦方式或引入新的挖掘技術，以適應不同礦床的特點和變化[3]。

3.3 空場采礦工藝技術

近些年，隨著煤礦開采技術的不斷進步，空場采礦工藝技術作為一種高效率和高質量的采礦方法受到了廣泛關注和應用。這種工藝技術將煤礦開采區域劃分成礦柱和礦房兩種類型，通過先開采礦柱區域，再逐步開采礦房區域的方式，實現了對煤礦資源的有效開采和利用。在實際應用中，若是采煤區的結構穩定性較低，采用空場采礦工藝技術時會選擇僅對礦房區域進行開采，以確保采礦作業的安全進行。而當對礦房實行開采的過程中，合理使用圍巖與礦柱實行支護是至關重要的，這不僅可以保障開采作業的順利進行，也能有效地防止煤層的塌陷和支護結構的損壞。當煤礦開采作業結束后，妥善處理采空區也是一項必要的工作。針對采空區，可以采取充填、搭建支架等措施，以防止采空區內部出現塌陷以及發生地表沉降問題，進一步保障了煤礦開采區域的安全穩定。

3.4 充填采礦工藝技術

充填采礦工藝技術是煤礦行業中一項關鍵的安全措施，旨在有效利用采空區并保護地下開采環境的穩定性。通過充填材料填補采空區，可以提高采空區的支撐性和穩定性，從而確保煤礦開采作業的安全開展。根據不同的煤礦結構和開采方向，可以選取不同的充填方式。其中，干式充填法是一種常見的方法，通過輸送帶將砂石等充填材料直接運輸至采空區加以填充，具有實用性較強的優點，但同時也存在成本較高、工藝復雜性強以及效率低等缺點。水砂充填法則是把爐渣、尾砂等材料混合后運送至采空區實行充填。相比于干式充填法，該方法可以顯著減小地表沉降幾率，提供更好的地下支撐效果。然而，這種方法也存在一些問題，如排水費用較高、工藝復雜性強以及充填量相對較小等。膠結充填法是通過將石灰、水泥、尾砂、碎石等材料充分攪拌形成膏體，利用管道泵運送至采空區實行充填，具有操作簡單、充填效率高和充填量大的優點，因此在實際應用中得到了廣泛采用。然而，尾砂供應不足是使用膠結充填法時需要面對的一個問題[4]。

3.5 溶浸采礦

溶浸采礦技術是一項基于深入了解礦產資源的物理和化學特征，并選取適當的化學溶劑來對采礦層加以處理的創新工藝。通過這項技術，礦區中的有價元素能夠得到有效提取，做到資源的有效轉化，并在很大程度上提升了開采的效率和產量。這種工藝技術有著較多的優勢，如相對較低的成本投入、高度現代化的水平以及出色的環保效益，使其成為當前廣泛推廣與應用的一項前沿技術。通過溶浸采礦技術，可以更加高效地開采礦產資源，同時降低開采過程中的環境負荷，與傳統的采礦方式相比，應用價值明顯更高。在實際應用此項工藝的流程中，首先需要對井場進行合理的劃分，確定井的型號和間距，并進行鉆孔與安裝等工作。隨后，通過往鉆孔中灌入事先配制好的溶浸液，讓其與礦石發生反應并浸出有價元素。隨后，需要全面提取浸出液，并進行吸附與清洗等必要步驟，以確保目標元素的純度和提取率。接著，利用沉淀和過濾等工藝步驟，最終得到濃縮物產品，并對廢水進行合理處理，以確保滿足相關標準和規定。如圖1 所示。

圖1 溶浸采礦工藝技術示意圖

3.6 巖體加固技術

在進行礦產資源開采時，安全事故是一個嚴峻的挑戰。這些事故往往是因為操作錯誤、復雜地勢和巖體穩定性較差等多種因素相互作用所致。為了降低安全事故的發生率，應當合理應用現代化的巖體加固技術。巖體加固技術的主要目標是基于增強巖體的穩定性，減少石塊的遠距離土崩現象，從而有效地防止人員傷亡。在選擇巖體加固方式時，應當結合具體狀況進行針對性或常規加固。常規巖體加固通常采用防滲帷幕鉆孔和對分法來處理。防滲帷幕鉆孔主要通過在巖體內部鉆探鉆孔，并注入水泥漿或其他固化材料，形成一道防滲屏障，從而提高巖體的穩定性，適用于一般巖體條件下的加固，可以有效地減少巖體的破碎和塌方風險。對分法則是在巖體表面鉆探一系列等距離布置的鉆孔，然后將鋼筋或其他支護材料插入鉆孔中，形成一個穩定的支撐結構，能夠增加巖體的整體強度和穩定性，有效地減少巖體斷裂和崩塌的風險。針對性巖體加固方法需要根據具體的巖體情況進行設計，通常會增加更多的加固鉆孔穿過巖體的缺陷面，以進一步提高巖體的穩定性，降低安全事故的出現概率[5]。

3.7 急傾斜煤層采煤方法

急傾斜煤層采煤方法是在大傾角煤層開采中應用的一種技術手段。然而，在實際操作中，由于煤層的特殊性質，常常會遇到一系列問題。為了解決這些問題，需要構建科學合理的規劃體系，以確保采煤的質量和效果。在使用急傾斜煤層采煤方法時，需要正確認識采區環境，基于不同的生產環境和裝備情況，明確采煤規模和范圍，優化生產結構，創建更安全、可靠的生產模式，確保礦井通風性良好，減少事故風險。

4 案例分析

山東肥城白莊煤礦位于肥城煤田西部構造區段的東部，四周受斷層包圍，井田構造總體上以斷裂構造為主，并伴有次一級褶曲構造。以9703 工作面為例，工作面面長88-191m，推采長度345-460m，煤層厚度1.4m，斷層多且無規律性，具備薄煤層、多復雜斷層等特點，且工作面煤巖層整體呈單斜構造，回采范圍內煤巖層平均傾角6°，對工作面保持快速、連續推采造成不同程度阻礙。

為了解決9703 智能化綜采工作面實際生產中復雜地質條件下的工作面生產及環境狀態不透明等問題，結合肥城白莊煤礦9703 工作面的地質條件和設備配套情況，提出了結合工作面精確地質模型，利用數字化、智能化技術感知預測綜采工作面開采過程中裝備、環境、人員等不安全因素，將現有的自動化系統升級，開發基于三維地質模型的綜采工作面規劃開采系統的建設思路。

即基于全場景采掘裝備機群系統框架，融合物聯網（IoT）、數字孿生、智能終端等技術，以綜采工作面智能化開采場景為切入點，構建一個集數據可視化、人機強交互、工藝自優化于一體的高逼真綜采工作面數字孿生平臺（如圖2），真正實現工作面設備互聯互通、生產場景再現、以數據為中心的生產模式，此系統用到的主要設備見表1。

表1 配套設備

圖2 三維數字孿生系統示意圖

利用數字孿生可視化技術通過真實設備的傳感器數據實時的驅動模型動作，達到真實設備與虛擬設備的同步動作的沉浸式操作效果，完成物理世界對象在數據世界的重現、分析和決策，集成應用綜采模型驅動算法、自主截割算法，建設成“數字煤層、虛實同步、數據驅動、實時修正、自主截割、人機協同”的智能工作面技術體系，以實際煤礦智能化需求為目標進行綜采智能化工作面數字孿生平臺的開發，解決綜采系統中的智能化程度低、多維數據呈現模糊、無人化程度不高、人機協同困難等問題，為煤礦安全、綠色高效生產提供可靠技術保障，為無人化智能開采打下了堅實的基礎。

5 結束語

現代化采礦工藝技術經歷了長時間的發展與創新，衍生出了多種類型的工藝技術，需要根據采礦工程的特征挑選適宜的技術。采礦工程在實施過程中，不僅要重視安全和質量，也應當盡量減小生態環境的破壞，嚴格把控成本費用，保障工程的綜合效益。可以預見到，現代化采礦技術必定會朝著綠色化、自動化、智能化的方向發展，應當基于采礦項目的具體情況，強化對工藝技術的切實把控，確保采礦工程的順利開展。